（生态学专业论文）某金铜矿重金属的环境影响及典型污染区定居植物分析.pdfVIP

摘要 摘要 本文选择福建某大型金一铜矿和厦门东孚垃圾填埋场为研究对象，根据矿业 的开采工艺划定了矿由不同区域，透过对矿由不同区域土壤、水体、植物的野外 采样和室内分析测试，讨论了重金属在土壤、水体、植物等不同环境介质中含量、 存在形态跃及迁移转化规律，评价了矿出开采造成在土壤、承体中的重金属潜在 生态危害性，寻筛选了一些的重金属耐性物种；本文还就生活垃圾填埋场重金属 污染环境下植物自然定屠的的生态对策、群落特 歪以及噩金属的耐性分析。 主要结论如下： ( 1 ) 矿区壤的重金属翘、魏、z 鑫、q 、珏g 污染严重，触、c 珏、知、 c r 、h g 的平均含量为1 1 1 1m g k g 、5 7 0 3m 眺孙3 9 6 8m g k g 、2 6 2 2m g k g 和 0 1 0 1 m g k g ，分别为福建省背景值豹1 7 。6 2 、2 5 0 l 、4 6 l 、5 。9 6 、1 6 2 倍。舡、 z n 、c u 、c r 和h g 之间均呈正相关性，其中c u 与舡呈现极显著相关。a s 、c u 的生态风险为中等危害，h g 、臼和z n 的生态风险为轻度危害。各区域土壤重 金属污染程度递降顺序为：尾矿区 矿石运输区 原矿脉土 矿业废水区矿区 井土壤壤，其中尾矿区和矿磊运输区为中等危害。 ( 2 ) 各区域土壤重金属a s 存在方式顺序为：残渣态 有机态 f e m n 氧化 态碳酸盐态 可交换态。各区域重金属c u 、z n 存在方式顺序均为：残渣态 f e m n 氧化态 有机态 碳酸盐态 可交换态。尾矿区土壤含有较高的可交换态和 碳酸盐态重金属，选矿废水排放区含有较高的有机态重金属。 。 ( 3 ) 矿区水体的重金属触、c u 、z n 、c r 和h g 污染严重，舡、c u 、z i l 、 q 和h g 平均含量为2 2 5 3m g l 、3 0 。9 4 6m g l 、7 6 1 4m g l 、3 8 7 6m g l 和0 4 3 8 u g l 分别是国家i 类地表水标准4 5 0 6 、3 0 9 5 、7 1 6 、3 8 8 和4 3 8 倍。水体重金 属污染程度依次：a s c u z n h g c r 。不同水体重金属污染程度为：选矿废 水 雨积水 汀溪水 山涧水。水体中舡、c u 和h g 以颗粒态为主，c r 、z n 以 可溶解态为主。另外水体过予酸性。 ( 4 ) 矿区尾矿自然定居植物有1 8 个科3 0 种，尾矿地植物小飞蓬c o n y z a c a n a d e n s i s ( l ) 、一点红e s o n c h i f o l i a ( l ) d c 、山油麻t d i e l s m n a d i e l s i a n a 、崖豆 藤、红背山麻杆a l c h o r n e a t r e w i o i d e ( b e n t h 、 对金属铜均具有一定的耐性。形成赤 摘要 楠群落+ 截叶铁扫帚群落、水生黍群落、野牡丹群落、芒萁群落、鸡眼草小飞 蓬群落等5 个比较典型的群落。群落的演替规律上，鸡眼草+ 小飞蓬群落可能是 冶炼渣的先锋植物，随着鸡眼草、小飞蓬的入侵和定屠，待基质条件改善后，赤 楠群落、截叶铁扫帚和水生黍慢慢过渡为优势种，野牡丹群落、芒萁群落土壤可 能为新的入侵静。尾矿地囱然定居不同形态植物对不同重金属的吸收特性各有不 同尾矿优势植物的转运系数为2 0 3 3 。 ( 5 ) 厦门东孚垃圾填埋场定屠植物有4 科6 种，其中南美蟛蜞菊w e d e l i a t r i l o b a t a 根部体内c u 含量为2 3 5 1m g k g ，地上部分c u 含量为1 0 0 7m g k g ，对 重金属c u 其有较好的耐性。 关键词：矿区；环境影响；重金属形态；自然定居植物 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , o n eg o l d c o p p e rm i n ea n dt h ex i a m e nl a n d f i l lf o rs t u d y , a c c o r d i n g t ot h ee x p l o i t a t i o no fm i n i n gd i f f e r e n ta r e a ，t h em i n et h r o u g hd i f f e r e n tp a t c h e so fs o i l ， w a t e r , p l a n t so fv a r i o u sh e a v ym e t a l sp o l l u t i o nc a r r i e do u td a t ac o l l e c t i o n ，f i e l d s a m p l i n ga n dl a b o r a t o r ya n a l y s i st e s t ，d i s c u s s e dt h eh e a v ym e t a l si nt h es o i l ，w a t e r a n dp l a n t si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lm e d i at h ee x i s t e n c eo fp a t t e r n s ，m i g r a t i o na n d t r a n s f o r m a f i o no fah e a v ym e t a lm i n i n ga n de n v i r o n m e n t a le f f e c t s ，t h ee v a l u a t i o no f t h eh e a v ym e t a l si nt h es o i l ，w a t e rt h ep o t e n t i a le c o l o g i c a lh a r m ，a n dh e a v ym e t a l s p o l l u t i o no ft h en a t u r a le n v i r o n m e n to ft h es e t t l e m e n to fe c o l o g i c a lm e a s u r e s ，a sw e l l a sc o m m u n i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a v ym e t a lt o l e r a n c eo ft h es e a r c ha n ds e l e c t i o n o fh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e da r e a sp a t i e n c es p e c i e s ( 1 ) a so fh e a v ym e t a l sm i n es o i l ，c u ，z n , c r , h gp o l l u t i o ni ss e r i o u s ，a s ，c u ， 孙，c r , h g ，t h ea v e r a g el e v e lo f1 1 1 1m g k gga n d5 7 0 3m g k ga n d3 9 6 8m g k g 2 6 2 。2m g k ga n do 1 0 1m g k g ，r e s p e c t i v e l y , 1 7 6 2 ，2 5 。0 1 ，4 。6 1 ，5 。9 6 ，1 。6 2t i m e st h e f u j i a nb a c k g r o u n dv a l u e s a s ，z n ，c u ，c ra n dh gt h e r ew a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o n ， t h e ma sa n dc us h o was i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n a s ，c us h o wm i d d l ee c o l o g i c a lr i s k h a z a r d s ，a n dh g ，c r , z ns h o wm i l dt h ee c o l o g i c a lr i s kh a r m d i s t r i c to ft h eh e a v y m e t a lp o l l u t i o no ft h es o i li nd e s c e n d i n go r d e r ：t a i l i n g sm i n i n ga r e a o r et r a n s p o r t a r e a o r i g i n a lv e i n ss o i l m i n i n gd i s t r i c tw a s t e w a t e r s o i l o u to fm i n d ( 2 ) d i s t r i c to fh e a v ym e t a l si ns o i l sa sf o rt h ee x i s t e n c eo ft h eo r d e r ：r e s i d u e - o r g a n i c f e m no x i d es p e c i e s c a r b o n a t es p e c i e s e x c h a n g e a b l e d i s t r i c to ft h e h e a v ym e t a l sc u , z ne x i s t e n c eo ft h eo r d e ra r e ：r e s i d u a l f e - m no x i d es p e c i e s o r g a n i c c a r b o n a t es p e c i e s e x c h a n g e a b l e m e i m i n es o i l s c o n t a i n i n gh i g h e r e x c h a n g e a b l ea n dc a r b o n a t eh e a v ym e t a l s ，m i n e r a lp r o c e s s i n gw a s t e w a t e rd i s c h a r g e a r e aw i t hah i g h e ro r g a n i cm e t a l s ( 3 ) m i n ew a t e rb o d yo fh e a v ym e t a l sa s ，c u ，z n ，c ra n dh gc a u s es e r i o u s p o l l u t i o n ，t h ea v e r a g ec o n t e n to f2 2 5 3m g 乙3 0 9 4 6m g k7 6 1 4m g l3 8 7 6m g m a b s t r a c t ，la n d0 4 3 8u g7l r e s p e c t i v e l y ，t h es t a t eo ft h es u r f a c e 钙。0 6 ，3 0 。9 5 ，7 1 6 ，3 8 8 w a t e rs t a n d a r d sa n d4 3 8t i m e s m e t a lp o l l u t i o no ft h ew a t e rb o d yw e i g h tf o l l o w e d ： a s c u z n h g c r 。d i f f e r e n tw e i g h tm e t a lp o l l u t i o no ft h ew a t e r ：m i n e r a l p r o c e s s i n gw a s t e w a t e r r a i nw a t e r t i n gs t r e a m m o u n t a i ns t r e a mw a t e r ( 4 ) t a i l i n g sp l a n tc o n y z ae a n a d e n s i sm ) ，e s o n c h i f o l i a ) d c ，t d i e l s i a n a 。 d i e l s i a n a , a l c h o m e a t r e w i o i d e ( b e n t h ) a r eap a t i e n c eo nt h ec u b r i d e l i ab a l a n s a e c o m m u n i t i e s + l e s p e d e z ae u n e a t ac o m m u n i t y ，p a n i c u m p a l u d o s u mc o m m u n i t y ， m e l a s t o m ac a n d i d u mc o m m u n i t y ，k u m m e r o w i as t r i a t ac o m m u n i t i e s +c o n y z a c a n a d e n s i sc o m m u n i t y ，d i c r a n o p t e r id i c h o t o m ac o m m u n i t yf i v eat y p i c a lc o m m u n i t y ， d o m i n a n tp l a n tt a i l i n g sh gt r a n s h i p m e n tc o e f f i c i e n t2 0 3 3 ( 5 ) x i a m e np l a n tl a n d f i l ls e t t l e r s4 s e c t i o n6 ，o fw h i c hw e d e l i at r i l o b a t ar o o t s i nc uc o n t e n to f2 3 5 1m g k g , o nt h ec uc o n t e n to f1 0 0 7m g | 蝇o fh e a v ym e t a l s c uh a s g o o dp a t i e n c e k e yw o r d s ：m i n e ；e n v i r o n m e n t a li m p a c t ；h e a v ym e t a l sf o r m ；n a t u r a lp l a n t s e t t l e m e n t i v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：南秽 。0 0 8 年丸月， c u z a 第一章前言 c a 。杨嚣飞等人网对铜陵矿区农雕表层土壤重金属污染进行了评价，显示该矿 区农田表层土壤普遍受到了重金属不同程度的污染，不同元素污染程度主要表现 在c a 污染最严重，平均含量已达到其参考的土壤环境背景值的2 0 2 l 倍，其次 是c u ，也达到4 0 4 倍，其它各元素依次为p b a s z n h g ，引用污水灌溉农 田是该区壤重金属污染的主要来源。黄长千觏等人对江西德兴铜矿采矿区、尾 矿堆积区、生活区以及下游河流大圬河、乐安河的水域、土壤进行了铜污染状况 的调查显示矿区铜污染极为严重，土壤中铜含量平均高达1 8 6 m g k g ，大圬河河 水铜含量在 5 - - 3 0 m g l 之间，底泥的铜含量在5 0 0 - 9 0 0 0 m g k g 之间，乐安河 的底泥铜含量达5 0 0 m k g 。陈翠华1 1 0 l 等人采用富集因子分析，结合g i s 空间分析 技术对江西德兴地区进行了较系统的土壤重金属污染评价显示德兴地区有不同 程度的的砷、汞、镉、锌、铜和铅重金属污染尤其以德兴矿区为中心的区域污染 最为严重，铬污染程度小。苏静【1 1 】等人研究了德兴铜矿土壤中铜存在的化学形态 和生物可利用性显示德兴铜矿各功能区表层土壤均已受到不同程度的c u 污染， 分布趋势为尾矿库 采矿区 菜田稻田 生活区。表层壤中c u 的直接利用性不 高，但可利用态c u 所占比例较高，可能造成潜在的生态毒性。土壤剖面中c u 的化学形态分布趋势为残余态 有机结合态 氧化态 碳酸盐缝合态 可交换态。 刘小红1 1 2 l 等人研究发现江苏九华铜矿区约有一半的采样点土壤全c u 含量超过我 国土壤环境质量三级标准( 4 0 0m 眺曲，其d t p a 提取态c u 含量的平均值为1 1 7 m g k g ，土壤c u 与z n 、p b 、c d 、c o 之间星极显著的正相关关系0 九华铜矿，丽锌含量顺序依次为铜陵铜矿九华铜矿 德兴铜矿。 1 1 2 矿山重金属污染土壤的形态和生物有效性研究概况 重金属的生物毒性不仅与其总浓度有关，更大程度上由其形态分配所决定。 不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重金属的毒性、迁移及在自然界的 循环f 1 4 l 。因此，借助形态分析阐明重金属在环境中的迁移、转化规律以及最终 的归宿以成为当今研究热点。根据国际纯粹与应用化学联合会的定义，形态分析 是指一个元素在环境中存在的各种不同化学形态与物理形态的过程1 1 5 1 。许多学 者关于土壤中重金属形态提出了不同的方法。f o r s t n e r 1 6 1 提出了7 步连续提取法， 2 第一章前言 将重金属形态分为交换态、碳酸盐结合态、无定型氧纯锰结合态、有机态、无定 型氧化铁结合态、晶型氧化铁结合态、残渣态、化物沉淀态和残渣态。t i e s s e r 等人1 1 7 】刘提疆的将土壤或者沉积物中的金属元素分为交换态、碳酸盐结合态、 铁锰氧化物结合态、有机物结合态与残渣态。欧共体标准物质局提出了3 步萃 取法 嘲，将土壤中重金属形态分为水溶态、可交换态与碳酸盐结合态b l ，铁 锰氧化物结合态b 2 ，有机物和硫化物结合态b 3 。土壤重金属形态分析虽然能够 在定程度上反映重金属形态分布及毒性。但目前为止，形态分析仍然有一定的 局限性，如e l l 于萃取剂对重金属的萃取机理不同及重金属的赋存状态的差异，不 同萃取剂对重金属的萃取效果也不同，而且同一萃取剂对土壤中不同重金属的萃 取效果差别也很大缺乏可比性。相对而言，t i e s s e r 法仍是最常用的方法。 重金属形态分析的主要目的是确定具有生物毒性的重金属含量。重金属的生 物有效性( b i o a v a i l a b i l i t y ) 指重金属能被生物吸收或对生物产生毒性的性状，可由 间接的毒性数据或生物体浓度数据评价i 1 9 1 ，生物有效性研究对环境健康风险性 评估具有重要意义。有关土壤中重金属元素生物可利用性的研究方法有生物试验 法、植物指示法、化学形态分析法等。植物指示法是其中正在迅速发展的，也是 前景最为看好的一种方法。该法利用植物吸收重金属的量来判断重金属污染程度 或评价重金属的生物可利用性，与其他评估方法相比，具有成本低、效果好、无 二次污染等优点，但是该法更多处于概念和实验阶段，比较少被应用于生物可利 用性的评价上。目前应用最多的是化学形态分析法。 1 1 3 重金属污染土壤修复治理概况 目前改良和治理矿区重金属污染的方法主要有：工程治理法、物理修复法、 化学修复法和生物修复法。工程治理措施是指用客土、换土、去表土和深耕翻土 等工程措施，使聚积在表层的污染物分散到更深的层次或者移到他处，以达到稀 释的目的。物理修复法是指应用电解、络合、加热等物理措施，实现污染土壤样 品的减污或清洁。化学修复法是指向土壤投入改良剂，使其改变土壤的酸碱性、 土壤氧化还原条件或土壤中离子的构成情况，进而对重金属的吸附作用、氧化还 原作用、拮抗或沉淀作用产生影响，最终降低重金属的污染。生物措施主要包括 动物治理、微生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 和植物修复。目前，研究较多的为槭物修 复技术。植物修复是利用某些植物能忍耐和超量积累某种重金属的特性，诱导土 3 第一章前言 壤中某种过量的元素转移到植物体内，随后收割茎叶或者其他措施将主壤中的重 金属清除。植物修复措施主要研究内容包括：一是积极寻找、筛选对重金属耐性 植物或翥超积累植物，进行超积累植物资源调查，了解其分雍规律、生长特点、 生长环境，收集并建立超积累植物的数据库；二是研究超积累植物的遗传机制及 基因定位并通过基因工程等分子生物学手段培育出生物量较大的超积累植物；三 是研究重金属在生物体内的活化、吸收、转移、毒害以及生物体的解毒和抗性等 行为特探索富集超富集机理。工程治理法、物理修复法、化学修复法这些方法投 资成本太高，需花费大量的人力与财力，同时还需要以改变原有土壤的物理化学 性质为前提，只能用于污染非常严重的地点。随着人们对环境保护目益重视，麓 够保持土壤结构和微生物活性的植物修复技术为矿山土壤污染治理提供了新的 希望。重金属污染土壤植物修复技术因其潜在的高效、廉价及其环境友好性已被 科学界和各国政府部门的认可和选用，正逐步走向商业化。其缺点是修复植物通 常都矮小、生物量低、生长缓慢且周期长，治理效率低，使得植物修复技术更多 的是处于田间试验和示范阶段。 1 2 重金属耐性植物的研究进展 通常，富集植物的界定考虑两个主要因素：植物地上部富集的重金属应达 到一定的量；植物地上部的重金属含量应高于根部。由于各种重金属在地壳中 的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异因此对不同重金属，超富集植物 富集浓度界限也有所不同，目前采用较多的是b a k e r 和b r o o k s l 2 0 提出的参考值， 即把植物叶片或地上部( 干重) 中含c d 达到1 0 0m g k g ，含c o 、c u 、n i 、p b 达到 1 0 0 0m g k g ，i v l n 、z n 达到1 0 0 0 0m g k g 以上的植物称为超富集植物。同时这些 植物还应满足s 瓜 1 的条件( s 和r 分别指植物地上部和根部重金属的含量) 。 自1 9 8 3 年c h a n e y 提啦了利用超富集植物清除壤重金属污染的思想以来， 国内对修复植物材料的研究。曹德菊f 2 1 l 等人调查了安徽省铜陵宝山矿区自然植 被，记录了1 1 种植物，优势度较高种分别为鸭跖草、酸模、空心泡，并分析了 以上3 种优势植物，发现了鸭跖革是c u 的超富集植物，空心泡和酸模属于c u 耐性植物。杨世勇i 捌等人通过对铜陵铜尾矿上的自然和人工定居尾矿上的植物 研究发现定禾本科、豆科、菊科植物物种数量占所有尾矿地定居物种数量的 7 2 。5 。储玲i 趔等通过调查安徽钢陵五公里铜矿废弃地的植被及植物区系显示该 4 第一帮前言 矿区定居植物有4 9 种，隶属2 2 科4 6 属，其中禾本科1 2 种、菊科8 种、豆科4 科、蓼科4 种，定居植物形成4 种相对稳定的演替群落类型有狗牙根+ 白茅植物 群落，自茅+ 三叶草+ 狗牙根植物群落，天蓝曹蓿+ - - 叶草植物群落和小飞蓬+ 一 年蓬植物群落。刘1 2 4 j 通对铜陵矿区野生植物修复潜力研究及可食用性作物重 金属污染评价表明叶菜类对c 麓、p b 的富集大于果菜类和根菜类。束文圣i 矧等人 对湖北铜绿山古铜矿冶炼渣植被调查共记录到离等植物2 8 种，隶属2 5 属1 5 科， 优势种包括海洲香薷、蝇子草、鸭跖草、头花蓼、滨蒿、白茅和狗尾草等7 种植 物，植物分布与土壤中c u 含量有一定的相关性，鸭跖草分布区土壤中的c u 含 量最高，自茅分布区土壤中的c u 含量最低。黄长干1 9 】等人通过采集德兴铜矿周 边的各种植物1 4 0 余种，并测定植物体内铜的含量，表明采本科的芦苇、苋科的 空心莲子草、蓼科的辣蓼和粘毛蓼、鸭跖草科的鸭跖草等可用于水体铜污染的植 物修复；禾本科的狗尾巴草、菊科的野艾蒿、桑科的构树、莎草科的莎草具有较 高的重金属耐性。刘小红1 1 2 1 等人对九华铜矿耐铜植物的筛选研究显示叶菜类植 物对重金属具有较强的耐性作用。此外还有陈同斌l 砸等对潮南石门县雄黄矿、 杨肖娥【明等人对铅锌尾矿库定居植物进行研究等。通过矿区自然定居植被的重 金属调查研究，一些学者发现了较多的富集植物或超富集植物，陈同斌等【矧逶 过对湖南石门县雄黄矿研究发现砷超富集植物蜈蚣草( p t e r i sv i t t a t al ) ，野外调 查其羽片的含砷量达到1 5 4 0m g k g ，在室内栽培时蜈蚣草羽片的含砷量达到5 0 7 0 m g k g ，且可在含砷量高达2 3 4 0 0m g k g 的含砷矿碴中正常生长，韦朝阳等【冽发 现与蜈蚣草同属生境相同的另一种最尾蔗植物大叶井翻边草( p t e r i sc r e t i c a ) ，其 地上部平均含砷量可达4 2 8m g k g ，最大含砷量可达6 9 4m g k g 。杨肖娥等i z 7 】发 现锌的超富集植物一东南景天( s e d u ma 1 ) e d h a n c 曲，地部z l l 含量为4 1 3 4 5 0 0 0m g k g ，平均为4 5 1 5m g k g ，当生长介质中z i l 浓度为8 0 m g l 时，地上部 z n 含量积累量达到最高值为1 9 6 7 4 m g k g 。薛生园等l 冽在湖南湘浮锰矿污染区发 现锰超富集植物一商陆( p h y t o l a c c aa c i n o s ar o x b ) ，其叶片锰含量最高达1 9 2 9 9 m g k g ，最低也达1 2 0 6 9 疆g l ( g ，平均锾含量1 4 4 7 6m g k g 。刘藏等阁在宝啦矿区 发现宝山堇菜( m o l ab a o s h a n e n s i s ) 在自然条件下地上部c d 平均含量为1 1 6 8m g 堍，变化范阑为4 6 5 。2 3 1 0m g k g ：地下部c d 平均含量为9 8 1m g k g ，变化范围 为2 3 3 1 8 4 6m g k g ，营养液c d 浓度为5 0m g k g 时地上部c d 平均含量达到4 8 2 5 5 第一章前言 m g k g 。郑洁敏等1 3 1 坡现了铜积累植物密毛蕨，野外调查分析和温室营养 液砂培实验结果表明，密毛蕨所生长的废铜矿土壤中，地上部c u 含量平均为2 0 1 越g 瓜g ，最高达5 6 7 篮g 窳g ；地下部c 娃含量平均为3 4 6 趱g 承g ，最高达1 7 2 3 撵g 窳g 汤叶涛等【3 2 】发现种新的多金属超富集植物一圆锥南芥似旭6 鼢p a n i c u l a t al ) 。 我囡生活垃圾相应的豳收机制还不完善，含重金满的物质被作为一般生活垃 圾进行填埋，造成垃圾填埋场周围的生态环境的重金属污染。同矿山重金属污染 区域一样，垃圾填埋场自然定屠的植物一般也具有较强的耐重金属的毙力。关予 垃圾填埋场自然定居的研究，不同学者从不同角度进行探索。姜必亮【3 3 】等人对 长于广州市李坑垃圾填埋场有渗滤液回灌的地表和未经渗滤液回灌的地表上的 三个优势植物种发现牛筋草，孔雀稗和狗牙根对重金属均有耐性。周乃杰【删等 以上海老港垃圾堆场建立的植被生态系统为研究对象，发现具有重金属耐性的植 物种类为：枸杞、马尼拉草、画眉草、结缕草和加拿大黄花。汤庆合等人【3 5 】研 究发现典型植物加拿大黄花的根汞与土壤可挥发汞有较好的相关性。韩志萍等l 矧 针对芦苇这种具有生物量大，根系发达，适应性强等特征的植物进行重金属耐性 研究，发现芦苇对c u 外、p b 2 + 、c d 2 + 、z n 外、 i 2 + 、 1 9 2 + 以及e r + 均具有较强耐性。 1 3 本论文的研究意义 近年来，国内外学者对矿产资源开发的重金属污染评价、矿区环境重金属污 染特征进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。但是重金属污染伴随着矿产资源 开采的整个过程，每个阶段有其不同的污染特征，了解不同的功能区域重金属污 染特征，对正确评价矿山废弃地重金属的环境影响以及在此基础的植被恢复或者 重金属污染治理具有重要意义。同时重金属富集或者耐性植物种类与实际应用需 要和我囡丰富的野生植物资源状况极不相称，加强对矿区植物重金属耐性调查， 为矿区治理和植被恢复提供可参考物种，也为研究植物对重金属的耐性机理提供 材料1 3 7 1 。 本文选择福建某大型金一铜矿和厦门东孚垃圾填埋场为研究对象，并根据矿 业的开采工艺划定了不同区域，逯过采取不同区域的土壤、水体、植物，研究重 金属在这些介质中的含量、存在形态、迁移转化规律，评价重金属在士壤、水体 中的潜在生态危害和生态环境效应。对该矿出开发所产生的环境问题进行了全面 6 第一意前言 分析，有勘予更好的认识矿山开采造成环境问题产生的过程和重点，为修复和改 良已污染土壤提供科学依据。通过对矿区和、垃圾填埋场重金属污染环境下植物 自然定居的的生态对策、群落特征以及重金属的耐性分析，寻找和筛选重金属耐 性物种，为尾矿治理和植被恢复提供可参考物种。 7 第二章材科和方法 2 1 研究区域概况 第二章材料和方法 本研究中试验选择的2 个样地分别为龙岩市某金铜矿和厦门某垃圾填埋场， 样地基本情况如下： 2 1 1 某金一铜矿区域概况 菜金一铜矿位于福建省龙岩市，地处武夷由脉和戴云玉脉之间的玳瑁由谣南 部的余脉。矿区土壤为红壤和红黄壤，呈酸性反应。该矿山为陆相火山岩型金铜 矿，矿岩石力旱燕出花浅岩、晚燕由期英安玢岩及火由隐爆惫砾岩等p 8 1 。矿物 结构为“上金下铜”，现已探明黄金储量1 5 3 吨，铜储量1 4 6 万吨。矿石的金属矿 物主要为黄铁矿，其次为蓝辉铜矿、铜蓝、辉铜矿、块硫砷铜矿等网。金矿初 期主要采用平硐溜井开拓方式，选矿采用堆浸提金工艺，技改后开采方式逐步由 地下转为露天，选矿方式采用以堆浸为主、炭浸为辅的联合提金工艺，铜矿采用 的细菌堆浸萃取一电积提铜工型加】。 2 1 2 厦门某垃圾填埋场区域概况 厦门东孚垃圾填埋场位于岛外集美区东孚镇寨器树西北的由坳里，填埋场区 三面为山丘环抱，北部高差较小，西部和南部高差较大，山体相连构成场区主要 分水岭，东面山谷口宽约2 1 0 m ，西部有一条东= l 艺向冲沟，呈v 字形，南部2 条 冲沟较宽，呈u 字形。矿区土壤为红壤和红黄壤，呈酸性反应。 2 2 样品的采集和处理 原矿地土壤长期受风优作用影响，使得矿石内的重金属尚周边环境释放；矿 区的开采运输由子矿石散落和扬尘，部分重金属也进入道路两边土壤；选矿产生 大量的尾矿存放在尾矿库和经简单处理后的矿由废水外j j 至周边水体是矿区重 金属向外扩散的主要途径。本文根据有矿山矿山开采的工艺和矿物向重金属释放 的过程，将矿区功能区域区划为5 个：原矿区( s 1 ) 、矿石运输区( s 2 ) 、尾矿 区( s 3 ) 、选矿废水排放区( s 4 ) 、矿区外土壤( s 5 ) 。除了尾矿区s 3 设立老尾 8 第二章材料和方法 矿士、新尾矿、冶炼渣3 个样地外，其他各样她均取一个样地。随机采样，按 照梅花采样法采集植物地面、地下部分和表层土壤( 0 - - 一2 0 c m ) ，样品置于密封 的封口袋中带回实验室。样品采集于2 0 0 4 年9 月完成。土壤样品风干、过2 r a m 筛后，分为两部分，一半用于测定土壤样品中重金属总量、一半用于测定土壤样 品中重金属形态。植物样品分清地面地下部分，用去离子水清洗，1 0 5 杀青 3 0 m i n ，8 0 下烘干、研磨，过1 0 0 圈筛。 矿区废水的最后受体为汀溪，选择山涧水、选矿废水、雨积水和汀溪水4 个不同功能区样点，采集表层水，现场测定p h 值后，用硝酸初步处理，4 8 小时 内带回实验室进一步处理。部分水样i 4 1 l 直接消解后测定总量，部分水样过0 4 5 a m 醋酸纤维素滤膜后进行测定，为可溶解态，总量和可溶解态的差值为颗粒态，硝 化、定容、保存。用容器均用1 0 ( 体积分数) 的f i f 0 3 浸泡2 4 h 以上。 表1 采样点和样品 t a b 。1s a m p l e st e s t e da n ds a m p l i n gs e t s 功能类型编号样地说明供测的样品 矿部东约1 5 0m ，缝势较高， 原矿脉土壤s l 土壤、植物 土壤、植被均未受过破坏 矿石运输公路边，多有粉碎过 运输污染区s 2废矿石、植物、选矿废水 低品味矿石，植被受干扰 新覆盖土、老覆盖土、选矿 尾矿区s 3选洗过豹尾矿堆积的尾矿库。 土、植物、雨积水 选矿废水排 s 4选矿废水排放口附近土壤土壤、植物、汀溪水 放区 矿区外土壤 s 5 矿外3 0 0m 山地土壤、植物、山涧水 壤 2 3 样品的测定 2 3 1 重金属全量测定 土壤、植物样品用王水经燃s 2 4 蛳o 微波消解系统消化后，c u 、孙、c r 9 第篡章材料和方法 用a a n a l y s t 8 0 0 原子吸收光谱仪( 火焰法) 测定，触、珏g 用氢化物发生原子吸 收光谱法测定。每批样品同时做空白样。用河系标准沉积物g s p l - 3 做质量控制。 2 3 2 重金属形态测定： 重金属形态研究采用t e s s i e r 五步提取法l 栩。 ( 1 ) 可交换态。取l m o l l 的m g c l 2 溶液8 m l ( p h = 7 ) 倒入样品中，室温下振 荡l h ，离心分离，取其上清液作为原子吸收测定液，洗涤残渣，离心分离，残 渣备下步提取用； ( 2 ) 碳酸盐结合态。取上步残渣，加入l m o l l c h 3 c o o n a 溶液8 m l ( p h = 5 。， 室温下振荡5 h ，分离处理，其余步骤同，取其上清液作为原子吸收测定液，洗 涤残渣，离心分离，残渣备下步提取用； ( 3 ) 铁( 锰) 氧化物结合态。取上步残渣，加入0 0 4m o l l 的n h 2 0 h h c l 和2 5 ( 州) h o a c 混合液2 0 m l ，9 6 下适当搅拌6 h ，离心分离，取其上濂 液作为原子吸收测定液，洗涤残渣，离心分离，残渣备下步提取用； ( 4 ) 有机质结合态。残渣中加0 0 2 m o l 删0 3 溶液3 m l 和3 0 h 2 0 2 溶液 5 m l ( p h = 2 ) ，8 5 c 下搅拌2 h ，再加入5 m i 3 ，2 m o l l n h 4 0 a c 和2 0 ( v n ) h n 0 3 混合液室温连续搅拌0 5 h ，离心分离，取其上清液作为原子吸收测定液； ( 5 ) 残渣结合态。用全量扣出上面四个部分为残渣结合态。 2 3 3 环境评价方法： 土壤环境污染程度的评价是研究土壤污染程度并进行治理的依据。誉前壤 重金属元素污染评价方法很多，主要有单因子指数法、综合污染指数法和富集因 子法等。考虑到重金属的不同的重金属对环境的毒性响应程度不同，本文采用潜 在生态危害指数值只，值) 旧。 其计算方法为： 1 ) 单个重金属潜在生态危害评价 己为第1 种重金属潜在生态危害系数( q h ep o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s kf a c t o r ) ， 计算公式为： f = 下，c f t ，c v g a t 为各重金属的毒性响应系数，此值被用来反映环境对重金属的污染的敏 第二章材料和方i 去 感程度； d 为某一重金属的污染系数； 成为重金属浓度实测值； 岛为计算所需要的参照值； c 0 和一采用h a k a n s o n 提出的标准见表2 。 表2 重金属生物毒性响应因子 l a b 。2p o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s kf a c t o r sf o rt o x i c i t yo fh e a v ym e t a l s ( 2 ) r l 表示土壤中多种重金属潜在生态危害指数，计算公式为： r 1 兰江i ：口f e 辔c 传 对水质评价方法评价，国内外许多学者相继提出多种方法，各种评价方法使 用条件、适用范星和评价效果各有其特点。本文采用国内通常采用综合污染指数 p o l l u t i i o nl n d e x ( p i ) 1 6 6 】来反映总的污染程度，计算式为： p i - ( c i s i ) n c f 为重金属f 的实测浓度的统计平均值； s i 壤中重金属f 的评价标准，本文采用豳家类地表水标准。 2 3 4 土壤化学性质的测定 p h 值测定：水体的p h 值用p h 试纸测定； 壤的蹦值用洲计测定f 5 3 l ( 土东比为1 ：2 。5 ) 2 3 。5 植物种类调查 群落的优势度按目测估计分为五级f 5 4 1 ：极少；稀少；不常见；丰 富；极丰富。 第= 章材料和方法 2 3 6 植物重金属耐性调查 转运系数是指植物地上部某元素浓度与其地下部相应元素浓度之比，其计算 公式是： 转运系数= 植物地上都元素的浓度植物地下部相应元素的浓度； 吸收系数( 也称生物富集系数) 是指植物地上部菜元素浓度与土壤中相应元 素浓度之比，其计算公式是： 吸收系数= 植物地上部元素浓度土壤中相应元素浓度 2 4 数据处理 试验数据的处理、相关性分析和显著性检验均由e x c e l 和s p s s l 0 0 软件 完成。 第三帝金一铜矿矿区对环境重金属的影响 第三章金一铜矿矿区对环境重金属的影响 3 1 矿区土壤的重金属污染特征 3 1 1 矿山不同区域土壤重金属总量分析 矿山不同区域土壤样品的加、魏、z 鑫、c r ，珏g5 种重金属的含量冤表3 。默 表3 可以看出：各样地土壤的重金属舢、c u 、z n 、c r 、h g5 种重金属污染严重， 其中砖酶含量为5 6 。5 一董。2m g k g ，平均值为1 0 5 1m g k g ，c u 的含量为4 0 5 。8 - 6 9 4 2 m g k g ，平均值为2 6 1 6m g k g ，z n 的含量为3 4 4 5 州8 9m g k g ，平均值为3 9 3 0 m g k g ，c r 的含量为2 2 4 。1 - 3 1 9 6m g k g ，平均值为2 6 2 。2m g k g ，h g 的含量为0 0 5 7 - - 0 1 3 1m g k g ，平均值为0 1 0 1 m g k g 。按平均值，舡、m 、z n 、c r 、h g 为分别国家 土壤背景值的9 9 1 、2 5 2 3 、5 。3 5 、4 3 0 倍、2 3 2 倍，分捌为福建省背景值的1 7 6 2 、 2 5 0 1 、4 6 1 、5 9 6 、1 6 2 倍，与土壤环境质量三级标准( g b1 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 相比，舡、 c 矗的平均僮分别为土壤环境质量三级标准的2 7 7 和重3 6 倍，可见该矿的开采造成 表3 不同样地土壤重金属莳含量 t a b 3h e a v ym e t a lc o n t e n ti ns o i l s ( m g k g ) 第兰章金一铜矿矿区对环境重金属的影哺 壤a s 、c u 污染。与其他矿由相比，该矿造成的铜污染情况低于湖北大冶铜绿山 铜绿山矿区1 4 6 ( c u 为1 6 4 5 - 8 9 5 0 m g k g ，平均5 8 4 3m g k g ，z n 为2 1 6 5 6 - - 1 0 5 5m g k g ， 平均7 2 1 5m g k g ) 和江西德兴铜矿陶( c u 力2 5 2 6m g k g ，z n 为3 6 0 7m g k g ) ，与 安徽铜陵铜矿1 1 3 】( c u 为5 3 7 8m g k g ，z n 为3 6 0 7 m g k g ) 污染情况相巍，其舢的 污染情况高于安徽铜陵铜矿( a s 含量为3 0m g k g ) 和江谣德兴铜矿( a s 含量的6 3 m g k g ) ，这可能跟该铜矿中金属矿物为富舢黄铁矿的为主有关。 3 i 2 矿区土壤重金属的相关性分析 表4 矿区主壤中重金属的相关系数( 珏= 7 ) t a b 4c o r r e l a t i o nc o e f f c i e n tb e t w e e nt h ee l e m e n tc o n t e n i so fs o i l s ( n = 7 ) 注：p o 0 5 p o 0 1 矿山不同区域土壤样品的趣、c u 、盈、c r 、h g5 种重金属含量的相关性分析 结果见表4 ，从表4 可知，愈、z l l 、c u 、c f 和h g 之间均呈正相关性，其中c 娃与 触呈现极显著相关，c